Eins haben frisch gewaschene Haare und Wäsche gemeinsam: Welche Farbe sie wirklich haben, sieht man erst, wenn sie trocken sind. Nass sind sie mit einem dünnen Wasserfilm benetzt, der die Farben, die wir sehen, durch Lichtbrechung verändert. Den Effekt können wir direkt beobachten, wenn wir beispielsweise einen Löffel in ein halb volles Glas Wasser stellen und von der Seite betrachten: Der Löffel erscheint dann zweigeteilt, sein unterer Teil wirkt zum oberen verschoben. Lichtbrechung tritt immer ein, wenn Strahlen der Sonne oder das Licht einer Lampe auf eine Grenze zwischen unterschiedlich »optisch dichten« Medien trifft – also etwa zwischen Luft und Wasser.

Die Wasserschicht auf nassen Haaren oder feuchten Kleidungsstücken bricht die Strahlen dabei aber nicht nur ein wenig in eine andere Richtung, sie hält das Licht praktisch gefangen. In der Optik nennt man das Totalreflexion: Die Oberfläche des nassen T-Shirts etwa wirft Licht zurück zur Oberfläche des Wasserfilms, wo es dann erneut zurückgespiegelt wird. So gelangt am Ende nur ein kleinerer Teil des auf die nasse Kleidung eingestrahlten Lichts aus dem Wasserfilm heraus zum Auge des Betrachters. Wenn wir den roten Pullover nass machen, färbt der Wasserfilm auf der Pulloveroberfläche ihn durch die Totalreflexion also dunkler.

Warum sehen wir Farben?

Und was wird dabei etwa aus »Rot«? Was ist eigentlich »Farbe«? Zunächst: Die Sonne sendet im Wesentlichen weißes Licht aus, das aus allen Farben, also Wellenlängen, zugleich besteht. Diese werden unterschiedlich von Objekten zurückgeworfen (Reflexion) und aufgenommen (Absorption) – während transparente Objekte einen Großteil des Lichts einfach durchlassen (Transmission). Wie viel Licht ein Gegenstand reflektiert, absorbiert und transmittiert, hängt etwa davon ab, aus welchem Material er besteht oder wie dessen Oberfläche beschaffen ist. Ein für uns farbiger Gegenstand nimmt dabei vor allem bestimmte Wellenlängenbereiche des eintreffenden Sonnenlichts auf und reflektiert den Rest stärker. So absorbiert der rote Pullover beispielsweise die grünen Wellenlängen des Sonnenlichtspektrums und reflektiert daher höhere Anteile der roten. Je dunkler der Gegenstand, desto mehr Licht absorbiert er; wobei schwarze Sachen fast das gesamte eintreffende Licht absorbieren.

Nasse Oberflächen sehen aber oft nicht nur dunkler aus – sie schimmern auch aus bestimmten Blickwinkeln. Die meisten Gegenstände sind nämlich nicht so glatt, wie sie mit bloßem Auge aussehen. Selbst ein geschmeidiges T-Shirt sieht unter dem Mikroskop aus wie eine Mondlandschaft. Die rauen Stofffasern bestehen aus vielen winzigen, gegeneinander verkanteten Flächen, an denen das Licht abprallt und immer wieder seine Richtung ändert, bis es schließlich in unser Auge zurückfällt. Physiker bezeichnen dies als Lichtstreuung. Wird das T-Shirt nass, legt sich das Wasser auf die hügelige Oberfläche und glättet sie so. Anstatt gestreut zu werden, wird ein Teil des Lichts deshalb auch im gleichen Winkel zurückgeworfen, weshalb man manchmal ein Schimmern auf nassen Sachen entdecken kann.

Totalreflexion in der Anwendung

Totalreflexion lässt sich übrigens auch praktisch ausnutzen. In einem Glasfaserkabel etwa wird Licht »gefangen gehalten« und so von einem Ort zum anderen transportiert. Energie per Glasfaser zu übertragen anstatt mit einem Kupferkabel, ist sowohl schneller als auch zuverlässiger. Damit ein Lichtstrahl in einem Glasfaserkabel vollständig reflektiert werden kann, besteht das Innere des Kabels aus zwei Siliziumdioxidkomponenten, die das Licht unterschiedlich brechen. Der Kern ist häufig aus reinem Siliziumdioxid, also Quarzglas, das von Siliziumdioxid mit einem kleinen Bor- oder Fluoranteil ummantelt wird.

Hersteller von Fotovoltaikanlagen können Materialkosten sparen, indem sie die Prinzipien der Reflexion und Totalreflexion geschickt anwenden. Als so genannte Konzentratoren setzen sie Spiegel- und Linsensysteme ein, die das Sonnenlicht bündeln und auf Solarzellen fokussieren. Wissenschaftler experimentieren auch mit Konzentratoren, die aus einem Kunststoffmaterial bestehen und auf die Solarzelle aufgeklebt werden. Weil die Sonnenstrahlen im Inneren des Kunststoffs vollständig reflektiert werden, kann die einfallende Sonnenstrahlung bis aufs Tausendfache konzentriert werden.